一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置与流程

本发明涉及利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，尤其涉及一种在地面上利用磁流体模拟微重力环境和进行微重力实验的方法，主要是利用磁流体的铁磁性质，通过电磁线圈产生一定强度的均匀梯度磁场，使磁流体受到均匀磁场力抵消重力从而实现微重力条件。

背景技术：

在地面的重力环境中，许多传热和流动现象都与重力及浮升力有关。而在微重力环境下，由于缺少重力和浮升力的组合作用，自然对流现象基本消失，表面张力成为主要作用力，进而对流体的传热、流动及相变特性造成了不同影响。开展流体微重力状态特性试验研究，首要条件是获得时间长、稳定性高、成本低、便于可视化观察和测量的实验环境保障。以往对微重力环境下流体热力状态的实验研究基本上都是通过落塔、飞机抛物线飞行、探空火箭、航天飞机以及国际空间站等途径实现，这些技术微重力实现水平高，但也存在成本高、微重力持续时间短等问题，难以满足地面大批量低成本实验要求。

经过现有技术的检索发现，李强等人在论文“磁场作用下磁流体对流换热的实验研究”中利用磁流体研究了对流换热的实验性质，但所采用的磁体为永磁体，无法改变内部的磁场强度，且无法在一定区域内提供均匀的磁场力，难以适于对微重力的研究，具有一定的局限性。在关于实现微重力的专利方面，如中国专利cn201611038888.3的“产生微重力环境的装置”中介绍了一种利用光导产生微重力环境的方法，该方法不利用磁场，且仅适用于固体物质，对流体的微重力环境模拟没有效果；中国专利cn201521001389.8发明的“磁流体装置”是一种利用永磁体实现磁流体外加磁场力的装置，由于永磁体提供的磁场力十分不均匀，因此不适合微重力研究；中国专利cn201210484568.6的“空间微重力模拟实验系统”阐述了一种利用自由落体原理模拟微重力环境的系统，但该方法受限于装置的下落高度，仅能提供几秒的微重力实验环境，难以满足微重力实验需求。因此，本领域的技术人员致力于发明一种磁补偿微重力实现装置：以磁性流体作为实验介质，两对通电线圈作为磁场发生装置，来实现磁流体重力的补偿，获得与空间轨道相似的真实微重力环境。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供易实现、低成本、可重复、并且可在地面进行长时间微重力环境的流体微重力实验装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，包括磁体系统、主体支架、冷却循环系统、电源控制系统和磁场力测量系统，磁体系统通过无磁不锈钢l型折板固定在主体支架上，电源控制系统与磁体系统相连接，磁场力测量系统可拆卸地设置在主体支架的中心开孔通道内，冷却循环系统被设置为向磁体系统内提供冷却水，

磁体系统包括外线圈和内线圈，外线圈与内线圈呈同心同轴水平平行布置，内线圈位于外线圈的内侧，内线圈的直径小于外线圈的直径，内线圈和外线圈均由尺寸相同的方形空心紫铜线绕制而成，

主体支架包括四根支柱、上平台板及下平台板，上平台板和下平台板中心均有开孔，上平台和下平台保持同轴，

冷却循环系统包括了冷却水管道、冷却水控制阀门和恒温水槽，冷却水管道的一端与恒温水槽相连通，冷却水管道的另一端通过冷却水汇流排与磁体系统相连通，冷却水汇流排设置在磁体系统的上下方，冷却水控制阀门设置在冷却水汇流排的出入口处，

电源控制系统包括第一激励电源和第二激励电源，第一激励电源通过第一电缆线与内线圈连接，第二激励电源通过第二电缆线与外线圈连接，

磁场力测量系统包括x-y-z三轴位移台、测力计、定位同心圆板，测力计的下方设有测力杆，测力杆被设置为穿过定位同心圆板的中心孔，测力计安装于x-y-z三轴位移台的预留扩展安装面上，x-y-z三轴位移台位于主体支架的上方，x-y-z三轴位移台被设置为调节测力计在磁场力测量系统中的高度和左右前后位置。

进一步的，内线圈包括大小相同、匝数相等、绕制方法镜像对称的第一上线圈和第一下线圈，第一上线圈和第一下线圈同轴水平平行布置，第一上线圈和第一下线圈均通过无磁不锈钢l型折板悬空螺接固定在主体支架上，第一上线圈位于上平台板的底面下方，第一下线圈位于下平台板的顶面上方，第一上线圈和第一下线圈内通入的电流方向相反，

进一步的，外线圈包括大小相同、匝数相等、饶制方法镜像对称的第二上线圈和第二下线圈，第二上线圈和第二下线圈同轴水平平行布置，第二上线圈和第二下线圈均通过无磁不锈钢l型折板被设置为螺接固定在主体支架上，第二上线圈贴在上平台板的底面，第二下线圈贴在下平台板的顶面，第二上线圈和第二下线圈内通入的电流方向相同。

进一步的，外线圈的中心直径为第一上线圈和第一下线圈的中心距离的1.9倍，内线圈的中心直径为第二上线圈和第二下线圈的中心距离的1.09倍。

进一步的，方形截面空心紫铜线的外表面镀有聚酰亚胺绝缘层，方形截面空心紫铜线的内部空心通道供水流动。

进一步的，方形截面空心紫铜绕线包括六个接线头，六个接线头平行设置，六个接线头通过压板固定于主体支架上，第一上线圈和第二上线圈的绕线接头固定于上平台板，第一下线圈和第二下线圈的绕线接头固定于下平台板，绕线接头通过电缆线分别与第一激励电源和第二激励电源连接，以实现向线圈的供电。

进一步的，第一激励电源和第二激励电源均为可调直流电源，电流值和调节精度根据磁场强度及梯度的调节范围和分辨率确定。

进一步的，冷却水管道包括了进水管道和出水管道，冷却水控制阀门包括两个总阀和两个上部控制阀门，两个总阀分别位于进水管道和出水管道上，两个上部控制阀分别位于第一上线圈和第二上线圈上的空心通道入口处。

进一步的，测力杆的下方设有挂钩，挂钩被设置为悬挂装在瓶内的磁流体。

进一步的，x-y-z三轴位移台固定于上平台板的顶面上，x-y-z三轴位移台的材质为无磁材料。

进一步的，定位同心圆板的材质为聚四氟乙烯。

技术效果

本发明利用磁流体的铁磁性质和流动性实现了低成本、长时间的流体微重力环境，能够有效解决利用其它方法在地面进行流体微重力实验时成本高、微重力持续时间短的问题；

通过设置上下两对磁体线圈结构，由外线圈提供饱和均匀磁场，而内线圈提供梯度磁场，不仅有利于单参数调节，而且也可以提供较大空间、较高均匀度的磁补偿力；

系统中内嵌了一套三轴定位和磁场力测量装置，能够保证磁流体被精确定位至磁补偿区域中心，更加提高磁补偿微重力环境的均匀性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的原理性结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的立体结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的冷却水汇流排局部示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的侧视结构示意图。

1为内线圈、2为外线圈、3为不锈钢l型折板、4为主体支架、5为x-y-z三轴位移台、6为测力计、7为定位同心圆板、8为第一激励电源、9为第二激励电源、10为恒温水槽、11为方形截面空心紫铜管、12为电缆线接口、13为冷却水汇流排、14为冷却水管接头、15为冷却水入口通道、16为冷却水出口通道、17为冷却水总阀门、18为上部线圈冷却水供水阀门。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例

来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，如图1～4所示，该装置包括磁体系统、主体支架4、冷却循环系统、电源控制系统以及磁场力测量系统。磁体系统由一对内线圈1和一对外线圈2两对独立的线圈组成，提供均匀梯度的合成磁场。合成磁场使磁流体达到饱和磁化状态的同时也使磁流体内部任意一点受到与重力方向相反的磁场力作用从而达到微重力状态。一对内线圈1和一对外线圈2均为大小相同、匝数相等、绕制方法镜像对称的两个线圈，一上一下同轴水平平行布置。上、下线圈均通过无磁不锈钢l型折板3固定在主体支架4上。一对内线圈1和一对外线圈2两者同心同轴水平平行布置，前者的直径小于后者，前者位于后者的内侧，其均由尺寸相同的方形截面空心紫铜线11绕制而成，铜线的内部空心通道供水流动冷却上电后的线圈高效冷却。方形截面空心紫铜线11外表面镀有聚酰亚胺绝缘层，以保证相互接触的绕线之间绝缘。一对外线圈2的中心直径d2为上下两个线圈中心距离h2的1.9倍，一对内线圈1的中心直径d1为上下两个线圈中心距离h1的1.09倍。本实施例中，磁补偿区域为以内外线圈内部中心点为中心的φ40mm×80mm的柱形区域。一对外线圈1中心直径420mm，上下线圈中心距220mm，一对内线圈2中心直径200mm，上下线圈中心距187mm，在工作时，对中心点处施加0.8t/m的磁场梯度时，其梯度分布的不均匀度在φ40mm×80mm的柱形区域内为5％。所采用的磁流体为直径为10纳米以下的磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。线圈内部的磁场由一对内线圈1生成的磁场和一对外线圈2生成的磁场叠加而成，其一对外线圈2由一对上下安置的相同匝数、相同电流方向的线圈组成，其一对内线圈1由一对上下安置的相同匝数、相反电流方向的线圈组成。

主体支架4由四根支柱、上平台板及下平台板构成，所有材料均为铝合金材料。上平台板和下平台板中心均开孔，并保持同轴；上、下平台板上开有各种孔，用于支柱、各种压板等的螺栓连接固定。

冷却循环系统包括了冷却水管道和冷却水控制阀门以及恒温水槽10组成。所述的冷却水管道包括了进水管道15和出水管道16，同时在磁体系统的上下方设置有冷却水汇流排13，实现冷却水的分配进入和汇集排出，方形截面空心紫铜线11内的冷却水由冷却水汇流排13全部连通。冷却水控制阀门由2个冷却水控制总阀17和2个上部磁体冷却水控制阀门18组成，分别用于控制出水口和入水口的冷却水流动以及上部两个磁体线圈内部的冷却水流动。恒温水槽10能够提供冷冻循环水，并通过软管与冷却水汇流排13连通形成水循环回路，从而实现对线圈的冷却。在本实施例中，装置工作时，应打开冷却水循环系统，将磁体系统的温度控制在60℃以内。

电源控制系统由电缆线接口12和两个独立工作的电源组成。每个线圈有三路方形截面空心紫铜绕线11的六个接线头均就近平行引出，整理后通过压板固定于主体支架4上，两个上部线圈的绕线接头固定于主体支架的上平台，两个下线圈的绕线接头固定于主体支架4的下平台。这些绕线接头通过电缆线分别与第一激励电源8和第二激励电源9两个独立电源连接，以分别实现向一对内线圈1和一对外线圈2的供电，两个独立电源均为可调直流电源，电流值和调节精度根据磁场强度及梯度的调节范围和分辨率确定。两台电源均能够提供0至150a的恒流电流。

磁场力测量系统由x-y-z三轴位移台5、测力计6、定位同心圆板7组成，测力计6能够测量悬挂在其吊钩上的物体的重力，下方提供挂钩，挂钩杆穿过定位同心圆板7的中心开孔，保证磁流体在磁场中能够进行准确的中心位置定位。整个测力计6安装于x-y-z三轴位移台5的预留扩展安装面上，从而可以通过x-y-z三轴位移台5调节测力计6在系统中的高度和左右前后位置。定位同心圆板7于中心开小孔，整体嵌入到主体支架4的上平台板的开孔内，可拆卸，用于保持自上而下的插入物居中和不晃动。材质为聚四氟乙烯。

本地面模拟微重力环境的实验装置使用时，工作过程为：

打开两个上部磁体冷却水控制阀门18和两个冷却水控制总阀17共4个手动控制阀，冷却水在磁体系统内部形成完整的循环回路，在压差作用下，冷却水通过进水管道15和出水管道16以及冷却水汇流排13全部流入方形截面空心水冷铜线11中，对整个磁体实现降温；

将定位同心圆板7放入主体支架4的上部中心孔中，测力计6的测力杆穿过定位同心圆板7的中心孔实现中心定位，将磁流体样瓶通过测力杆6的挂钩悬于磁补偿区域内，通过调节x-y-z三轴位移台5使磁流体处于磁补偿区域的中心位置，然后接通电流。首先接通一对外线圈2的电流，增大电流直至磁流体达到磁饱和状态，然后接通一对内线圈1的电流，增大电流直至磁流体达到所设定的微重力失重状态。通过上述步骤，实现了利用磁场力模拟磁流体在微重力环境下的失重状态，以进一步进行有关微重力环境下的流体实验。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。